基于51單片機設(shè)計的比例遙控系統(tǒng)

引 言

遠程控制技術(shù)又稱為遙控技術(shù)，是指實現(xiàn)對被控目標的遙遠控制，在工業(yè)控制、家用電器、無線電運動以及兒童玩具等領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用。遙控技術(shù)可以分為單通道遙控和多通道遙控，也可以分為開關(guān)型遙控和比例型遙控。

本文主要介紹了使用到單片機部分的控制電路，包括發(fā)射機電路和接收機電路。發(fā)射機采用電位器分壓作為比例控制信號，由4路A／D電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，各個通道數(shù)字信號連同兩路開關(guān)量由單片機進行多通道編碼，編碼信號由串行口送出，最后由發(fā)射模塊發(fā)射。接收機主要負責把收到的信號放大并從中解調(diào)出編碼信號，最后由伺服機把接收機收到的電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機械動作，由此實現(xiàn)方向和速度的控制。

外觀上，在遙控器的發(fā)射端應(yīng)該有帶旋鈕的比例表盤，把5 V電壓平均分成360°，每一個小的度量單位就代表一定的電壓值，當旋鈕轉(zhuǎn)動一定角度時，也就是輸入給發(fā)射單片機一定的電壓值，與此同時，發(fā)射單片機一直以一定的時間間隔去查詢當前的速度并讀入到單片機內(nèi)部，并根據(jù)計算公式計算出模型應(yīng)該前進的距離或者當前應(yīng)該的速度且根據(jù)此值設(shè)置相應(yīng)的計數(shù)／定時器的初值，然后由系統(tǒng)外部驅(qū)動電路(伺服機)把接收單片機收到的電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機械動作，即前進一定距離或者作加減速運動；當定時器溢出產(chǎn)生中斷以后，外部相應(yīng)的驅(qū)動電路也幾乎同時發(fā)出控制信號控制模型停止任何動作。

使用比例遙控的優(yōu)點有很多。例如：控制靈活；可以調(diào)整遙控的距離且調(diào)整的最大距離比一般遙控遠；可以根據(jù)使用者的意愿實現(xiàn)模型的速度改變；線路簡單，抗干擾能力強；伺服機構(gòu)(包括齒輪箱和伺服馬達)簡單等等。

1 比例遙控設(shè)備的基本原理

一般比例遙控系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

圖1(a)中，鍵盤用于產(chǎn)生發(fā)射端控制信號；編碼器對控制信號進行編碼；顯示器顯示受控對象及其受控狀態(tài)類別；發(fā)射機將操縱指令轉(zhuǎn)換為帶有控制信息的無線電信號并將此信號進行功率放大，以滿足發(fā)射功率的要求。

圖1(b)中，解碼器將編碼信號譯成控制信號；控制器對受控對象實施控制；接收機接收發(fā)射機發(fā)出的無線電信號，同時將接收到的信號放大并從中解調(diào)出編碼信號，一般和發(fā)射機配套使用。由于接收機是裝在模型上的，一般都應(yīng)該盡量做到小巧，同時還應(yīng)具有很高的靈敏度，能接收較遠距離發(fā)射的無線電信號。

遙控設(shè)備的基本工作原理是：操縱者通過手中的遙控發(fā)射機(撥動發(fā)射機上的旋鈕或者搖桿)將控制模型前進、后退、加速或減速的指令變成電信號并將其發(fā)射到空中；模型上裝載的遙控接收機收到這些電信號并由伺服舵機轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機械運動，從而實現(xiàn)對模型的遙控。

2 單片機比例遙控系統(tǒng)的具體設(shè)計

無線比例遙控系統(tǒng)主要由發(fā)射和接收兩個部分組成，發(fā)射部分完成對遙控指令的發(fā)射，接收部分完成對指令的實施。在設(shè)計時可將其分開設(shè)計。

2．1 發(fā)射電路

圖2為使用STCl2C2052AD單片機設(shè)計的比例遙控系統(tǒng)發(fā)射機的主電路。由于使用了單片機，使整個電路變得非常簡潔。P1口為比例遙控信號的輸入端；通過電位器分壓得到比例控制信號，由4路A／D電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，各個通道數(shù)字信號連同兩路開關(guān)量由單片機進行多通道編碼，編碼信號由串行口送出，最后由發(fā)射模塊發(fā)射。如果需要設(shè)計更多通道的比例遙控系統(tǒng)，可以利用其余沒有使用到的P1端口，外接電位器進行相應(yīng)的功能擴展。當沒有控制信號時，P1口均為高電平。由軟件控制將P1口的控制信號(低電平有效)送到單片機內(nèi)部進行相關(guān)處理。

STCl2C2052AD是20腳封裝的單時鐘／機器周期的兼容8051 RISC型CPU內(nèi)核的單片機。它是本設(shè)計的核心器件，其速度比普通的8051快12倍；功耗低；片上集成256字節(jié)的RAM；15個通用可編程I／0口，可以設(shè)置成4種模式——準雙向口／弱上拉、推挽／強上拉、僅為輸入／高阻、開漏(其中復(fù)位后為準雙向口／弱上拉模式)；片內(nèi)有EEPROM功能；共有2個16位定時器／計數(shù)器；內(nèi)部還集成了RC振蕩器，在精度要求不高時可以省略外部晶振；具有較寬的操作電壓范圍以及獨立的片內(nèi)看門狗定時器；P1．7～P1．O共8路高精度的高速電壓輸入型8位A／D轉(zhuǎn)換器，速度可以達到100 kHz，可用于溫度檢測、電池電壓檢測、頻譜檢測等等，上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I／0口，用戶可以通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A／D轉(zhuǎn)換(不需要作為A／D使用的端口可以繼續(xù)作為I／O口使用，需作為A／D使用的端口要先將其設(shè)置為高阻輸入模式或者開漏模式)。本設(shè)計中的單片機還可以由其他同類型的20腳封裝的51系列單片機代替，設(shè)計方法多種多樣。

2．2 接收電路

接收電路主要作用是將發(fā)射機發(fā)射出的已調(diào)的編碼指令信號接收下來，并進行放大后送到解調(diào)電路，解調(diào)電路將已經(jīng)調(diào)制的指令編碼信號解調(diào)出來，還原為編碼信號。指令譯碼器將編碼指令信號進行譯碼，最后由驅(qū)動電路來驅(qū)動執(zhí)行電路實現(xiàn)各種指令的操作控制。圖3為接收機主電路，發(fā)射機傳來的信號由P3．O輸入后送至P1口，由軟件控制P1的相應(yīng)端口輸出控制信號。P1口的4位A／D端口可以接到不同的控制端。由于是比例遙控，所以應(yīng)將輸出口的控制信號送到下一級比例遙控專用的伺服電路。

整個系統(tǒng)的執(zhí)行部分是由直流電動機驅(qū)動電路來完成的，主要控制模型的行進方向和速度。單片機STCl2C2052AD既是協(xié)調(diào)整個接收機工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器和運算器，由于它直接有PWM功能，因此不需要占用單片機資源，可以直接產(chǎn)生占空比可變的脈沖信號，對橋式雙向電路驅(qū)動電動機進行電壓控制，從而完成對電動機驅(qū)動、轉(zhuǎn)速以及前進或后退的控制，并能夠?qū)崿F(xiàn)脈寬精確調(diào)速。

圖3中，與單片機左邊相連的部分為電動機驅(qū)動電路。該電路由2對晶體管組成一個橋式互補對稱電路，其中包含了電動機。電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成階躍型的角位移或者直線位移的變換器，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度(步距角)運行的。當4個晶體管均為低電平時(由芯片控制)，這4個晶體管的集電極和發(fā)射極均不能導(dǎo)通，此時電動機a端和b端均為O V，電動機不能轉(zhuǎn)動。當P3．0和P3．2為高電平，P3．1和P3．3為低電平時，晶體管T1和T3均導(dǎo)通，此時a端得到高電平，而b端與地相通，電動機開始轉(zhuǎn)動。除去晶體管T1和T3的壓降，電動機的兩端大概可以得到4．5 V的電壓。同樣道理，當P3．1和P3．3為高電平，P3．O和P3．2為低電平時，b端得到高電平，而a端與地相通，電動機反轉(zhuǎn)。通過該橋式電路，控制P3．O和P3．2、P3．1和P3．3端口的電平(注意：這4個端口不能全部為高電平)便可以實現(xiàn)電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)，即實現(xiàn)了模型的前進或后退。為了消除電動機的電弧干擾，應(yīng)在電動機兩側(cè)加一個小電容，其值為0．1μF。